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机器换人时代的工业机器人

《中国制造2025》规划了我国制造强国的战略目标,智能制造成为工业制造转型的重中之重。在智能化的大势下,智能装备下游应用领域加快拓展,工业机器人发展可期。

工业机器人指的是能在人的控制下智能工作,并能完美替代人力在生产线上工作的多关节机械手或多自由度的机器装置。与人力相比,工业机器人具有低成本、高效率以及24小时工作的特点。近年来,随着国内劳动力成本不断上涨,我国制造业劳动力优势不显,制造业亟待向智能化转型,工业机器人呈现强劲发展的态势。

我国是工业机器人消费大国,从2013年其就连续两年成为全球第一大工业机器人消费市场。汽车制造、电子、橡胶塑料、军工、航空制造、食品工业、医药设备与金属制品等领域常有工业机器人“身影”。其中汽车工业的应用最多,比例达38%。广东、江苏、上海、北京等地是我国工业机器人产业主要集中的地区,拥有的工业机器人数量占据全国工业机器人市场的半壁江山。

不过,由于核心技术缺乏,我国工业机器人消费严重依赖国外企业,尤其在减速机、伺服电机、控制器等核心零部件上,我国本土机器人企业受制于人,只能购买高昂的国外设备,这需要国产工业机器人厂商不断提高技术,加大研发水平,早日摆脱国外机器人品牌对中国工业机器人消费市场的控制。

考虑到目前全球制造业工业机器人密度为55,而中国工业机器人密度仅为21,远低于日韩德美等发达国家,以及智能制造背景下,“机器换人”政策不断落地,未来我国工业机器人市场还有很大的增长空间。汇川技术、机器人、智云股份、科远股份、秦川机床等相关概念公司将在机器人红利下取得较好发展。

工业机器人的发展阶段

工业机器人的发展通常可规划分为三代:

1、第一代工业机器人:

通常是指目前国际上商品化与使用化的“可编程的工业机器人”,又称“示教再现工业机器人”,即为了让工业机器人完成某项作业,首先由操作者将完成该作业所需要的各种知识(如运动轨迹、作业条件、作业顺序和作业时间等),通过直接或间接手段,对工业机器人进行“示教”,工业机器人将这些知识记忆下来后,即可根据“再现”指令,在一定精度范围内,忠实的重复再现各种被示教的动作。1962年美国万能自动化公司的第一台Unimate工业机器人在美国通用汽车公司投入使用,标志着第一代工业机器人的诞生。

2、第二代工业机器人:

通常是指具有某种智能(如触觉、力觉、视觉等)功能的“智能机器人”。即有传感器得到触觉、力觉和视觉等信息计算机处理后,控制机器人的操作机完成相应的适当操作。1982年美国通用汽车在装配线上为工业机器人装备了视觉系统,从而宣布了新一代智能工业机器人的问世。

3、第三代工业机器人:

即所谓的“只治式工业机器人”。它不仅具有感知功能,而且还有一定的决策及规划能力。第一代工业机器人目前仍处在实验室研究阶段。工业机器人经历了诞生—成长—成熟期后,已成为制造业中不可缺少的核心装备,世界上有约75万台工业机器人正与工人朋友并肩战斗在个条生产线上。

特种机器人作为机器人家族的后起之秀,由于其用途广泛而大有后来居上之势,仿人机器人、农业机器人、服务机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、娱乐机器人等各种用途发特种机器人纷纷面世,而且正以飞快的速度向实用化迈进。

工业机器人的分类

工业机器人按不同的方法可分下述类型

1、工业机器人按操作机坐标形式分以下几类:(坐标形式是指操作机的手臂在运动时所取的参考坐标系的形式。)

(1)  直角坐标型工业机器人

其运动部分由三个相互垂直的直线移动(即PPP)组成,其工作空间图形为长方形。它在各个轴向的移动距离,可在各个坐标轴上直接读出,直观性强,易于位置和姿态的编程计算,定位精度高,控制无耦合,结构简单,但机体所占空间体积大,动作范围小,灵活性差,难与其他工业机器人协调工作。

(2)  圆柱坐标型工业机器人

其运动形式是通过一个转动和两个移动组成的运动系统来实现的,其工作空间图形为圆柱,与直角坐标型工业机器人相比,在相同的工作空间条件下,机体所占体积小,而运动范围大,其位置精度仅次于直角坐标型机器人,难与其他工业机器人协调工作。

(3)  球坐标型工业机器人

又称极坐标型工业机器人,其手臂的运动由两个转动和一个直线移动(即RRP,一个回转,一个俯仰和一个伸缩运动)所组成,其工作空间为一球体,它可以作上下俯仰动作并能抓取地面上或教低位置的协调工件,其位置精度高,位置误差与臂长成正比。

(4)多关节型工业机器人

又称回转坐标型工业机器人,这种工业机器人的手臂与人一体上肢类似,其前三个关节是回转副(即RRR),该工业机器人一般由立柱和大小臂组成,立柱与大臂见形成肩关节,大臂和小臂间形成肘关节,可使大臂做回转运动和俯仰摆动,小臂做仰俯摆动。其结构最紧凑,灵活性大,占地面积最小,能与其他工业机器人协调工作,但位置精度教低,有平衡问题,控制耦合,这种工业机器人应用越来越广泛。

(5)平面关节型工业机器人

它采用一个移动关节和两个回转关节(即PRR),移动关节实现上下运动,而两个回转关节则控制前后、左右运动。这种形式的工业机器人又称(SCARA(Seletive  Compliance  Assembly  Robot  Arm)装配机器人。在水平方向则具有柔顺性,而在垂直方向则有教大的刚性。它结构简单,动作灵活,多用于装配作业中,特别适合小规格零件的插接装配,如在电子工业的插接、装配中应用广泛。

2、工业机器人按驱动方式分以下几类:

(1)气动式工业机器人

这类工业机器人以压缩空气来驱动操作机,其优点是空气来源方便,动作迅速,结构简单造价低,无污染,缺点是空气具有可压缩性,导致工作速度的稳定性较差,又因气源压力一般只有6kPa左右,所以这类工业机器人抓举力较小,一般只有几十牛顿,最大百余牛顿。

(2)液压式工业机器人

液压压力比气压压力高得多,一般为70kPa左右,故液压传动工业机器人具有较大的抓举能力,可达上千牛顿。这类工业机器人结构紧凑,传动平稳,动作灵敏,但对密封要求较高,且不宜在高温或低温环境下工作。

(3) 电动式工业机器人

这是目前用得最多的一类工业机器人,不仅因为电动机品种众多,为工业机器人设计提供了多种选择,也因为它们可以运用多种灵活控制的方法。早期多采用步进电机驱动,后来发展了直流伺服驱动单元,目前交流伺服驱动单元也在迅速发展。这些驱动单元或是直接驱动操作机,或是通过诸如谐波减速器的装置来减速后驱动,结构十分紧凑、简单。

工业机器人的控制系统

机器人系统的结构由机器人的机构部分、传感器组、控制部分及信息处理部分组成。其中控制系统是机器人产业的一个核心环节。

1、工业机器人控制系统所要达到的功能

机器人控制系统用于对操作机的控制,以完成特定的工作任务,其基本功能如下:

(1)记忆功能:

存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。

(2)示教功能:

离线编程,在线示教,间接示教。在线示教包括示教盒和导引示教两种。

(3)与外围设备联系功能:

输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。

(4)坐标设置功能:

有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。

(5)人机接口:

示教盒、操作面板、显示屏。

(6)传感器接口:

位置检测、视觉、触觉、力觉等。

(7)位置伺服功能:

机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。

(8)故障诊断安全保护功能:

运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障自诊断。

2、工业机器人控制系统的组成

机器人控制系统组成框图

  (1)控制计算机:

控制系统的调度指挥机构。一般为微型机、微处理器有32位、64位等,如奔腾系列CPU以及其他类型CPU。

(2)示教盒:

示教机器人的工作轨迹和参数设定,以及所有人机交互操作,拥有自己独立的CPU以及存储单元,与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互。

(3)操作面板:

由各种操作按键、状态指示灯构成,只完成基本功能操作。

(4)硬盘和软盘存储存:

储机器人工作程序的外围存储器。

(5)数字和模拟量输入输出:

各种状态和控制命令的输入或输出。

(6)打印机接口:

记录需要输出的各种信息。

(7)传感器接口:

用于信息的自动检测,实现机器人柔顺控制,一般为力觉、触觉和视觉传感器。

(8)轴控制器:

完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。

(9)辅助设备控制:

用于和机器人配合的辅助设备控制,如手爪变位器等。

(10)通信接口:

实现机器人和其他设备的信息交换,一般有串行接口、并行接口等。

(11)网络接口

1)Ethernet接口:可通过以太网实现数台或单台机器人的直接PC通信,数据传输速率高达10Mbit/s,可直接在PC上用windows库函数进行应用程序编程之后,支持TCP/IP通信协议,通过Ethernet接口将数据及程序装入各个机器人控制器中。

2)Fieldbus接口:支持多种流行的现场总线规格,如Device net、AB Remote I/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等。

3、工业机器人控制系统分类

(1)程序控制系统:

给每一个自由度施加一定规律的控制作用,机器人就可实现要求的空间轨迹。

(2)自适应控制系统:

当外界条件变化时,为保证所要求的品质或为了随着经验的积累而自行改善控制品质,其过程是基于操作机的状态和伺服误差的观察,再调整非线性模型的参数,一直到误差消失为止。这种系统的结构和参数能随时间和条件自动改变。

(3)人工智能系统:

事先无法编制运动程序,而是要求在运动过程中根据所获得的周围状态信息,实时确定控制作用。

驱动方式:参见工业机器人驱动系统。

运动方式:

(4)点位式:

要求机器人准确控制末端执行器的位姿,而与路径无关;

(5)轨迹式:

要求机器人按示教的轨迹和速度运动。

(6)控制总线:

国际标准总线控制系统。采用国际标准总线作为控制系统的控制总线,如VME、MULTI-bus、STD-bus、PC-bus。

(7)自定义总线控制系统:

由生产厂家自行定义使用的总线作为控制系统总线。

(8)编程方式:

物理设置编程系统。由操作者设置固定的限位开关,实现起动,停车的程序操作,只能用于简单的拾起和放置作业。

(9)在线编程:

通过人的示教来完成操作信息的记忆过程编程方式,包括直接示教(即手把手示教)模拟示教和示教盒示教。

(10)离线编程:

不对实际作业的机器人直接示教,而是脱离实际作业环境,生成示教程序,通过使用高级机器人,编程语言,远程式离线生成机器人作业轨迹。

4、机器人控制系统结构

机器人控制系统按其控制方式可分为三类。

(1)集中控制系统(Centralized Control System ):

集中控制系统框图

  用一台计算机实现全部控制功能,结构简单,成本低,但实时性差,难以扩展,在早期的机器人中常采用这种结构,其构成框图,如图所示。

基于PC 的集中控制系统里,充分利用了PC 资源开放性的特点,可以实现很好的开放性:多种控制卡,传感器设备等都可以通过标准PCI插槽或通过标准串口、并口集成到控制系统中。

集中式控制系统的优点是:硬件成本较低,便于信息的采集和分析,易于实现系统的最优控制,整体性与协调性较好,基于PC 的系统硬件扩展较为方便。其缺点也显而易见:系统控制缺乏灵活性,控制危险容易集中,一旦出现故障,其影响面广,后果严重;由于工业机器人的实时性要求很高,当系统进行大量数据计算,会降低系统实时性,系统对多任务的响应能力也会与系统的实时性相冲突;此外,系统连线复杂,会降低系统的可靠性。

(2)主从控制系统:

采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能。主CPU实现管理、坐标变换、轨迹生成和系统自诊断等;从CPU实现所有关节的动作控制。其构成框图,如图。

主从控制方式系统实时性较好,适于高精度、高速度控制,但其系统扩展性较差,维修困难。

主从动控制系框图

  (3)分散控制系统(Distribute Control System ):

按系统的性质和方式将系统控制分成几个模块,每一个模块各有不同的控制任务和控制策略,各模式之间可以是主从关系,也可以是平等关系。

这种方式实时性好,易于实现高速、高精度控制,易于扩展,可实现智能控制,是目前流行的方式。

其主要思想是“分散控制,集中管理”,即系统对其总体目标和任务可以进行综合协调和分配,并通过子系统的协调工作来完成控制任务,整个系统在功能、逻辑和物理等方面都是分散的,所以DCS 系统又称为集散控制系统或分散控制系统。

这种结构中,子系统是由控制器和不同被控对象或设备构成的,各个子系统之间通过网络等相互通讯。分布式控制结构提供了一个开放、实时、精确的机器人控制系统。分布式系统中常采用两级控制方式。

两级分布式控制系统,通常由上位机、下为机和网络组成。上位机可以进行不同的轨迹规划和控制算法,下位机进行插补细分、控制优化等的研究和实现。上位机和下位机通过通讯总线相互协调工作,这里的通讯总线可以是RS-232、RS-485、EEE-488 以及USB 总线等形式。

现在,以太网和现场总线技术的发展为机器人提供了更快速、稳定、有效的通讯服务。尤其是现场总线,它应用于生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向多结点数字通信,从而形成了新型的网络集成式全分布控制系统—现场总线控制系统FCS ( Filed bus Control System )。

在工厂生产网络中,将可以通过现场总线连接的设备统称为“现场设备/仪表”。从系统论的角度来说,工业机器人作为工厂的生产设备之一,也可以归纳为现场设备。在机器人系统中引入现场总线技术后,更有利于机器人在工业生产环境中的集成。

分布式控制系统框图

  分布式控制系统的优点在于:系统灵活性好,控制系统的危险性降低,采用多处理器的分散控制,有利于系统功能的并行执行,提高系统的处理效率,缩短响应时间。

对于具有多自由度的工业机器人而言,集中控制对各个控制轴之间的藕合关系处理得很好,可以很简单的进行补偿。但是,当轴的数量增加到使控制算法变得很复杂时,其控制性能会恶化。而且,当系统中轴的数量或控制算法变得很复杂时,可能会导致系统的重新设计。与之相比,分布式结构的每一个运动轴都由一个控制器处理,这意味着,系统有较少的轴间耦合和较高的系统重构性。

“工业4.0”是指继蒸汽机、电气化与自动化后的第四次工业革命,它将传统工业与数字信息技术结合,借助大数据、云计算等技术实现智能生产。在中国,“工业4.0”意味着国家制造业的升级,为此中国专门提出了“中国制造2025”的发展目标,目标提出我国要在2025年前,从制造业大国迈入制造业强国。